WO2022058195A1 - Verfahren und vorrichtung zur erfassung eines drehwinkels einer rotierenden welle - Google Patents

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WO2022058195A1
WO2022058195A1 PCT/EP2021/074525 EP2021074525W WO2022058195A1 WO 2022058195 A1 WO2022058195 A1 WO 2022058195A1 EP 2021074525 W EP2021074525 W EP 2021074525W WO 2022058195 A1 WO2022058195 A1 WO 2022058195A1
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WO
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signal
correlator
resolver
stator
frequency
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PCT/EP2021/074525
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French (fr)
Inventor
Michael Kutz
Matthias Schneider
Original Assignee
Sew-Eurodrive Gmbh & Co. Kg
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/20—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature
    • G01D5/204—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils
    • G01D5/2073—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils by movement of a single coil with respect to two or more coils

Definitions

  • the invention relates to a method for detecting an angle of rotation of a rotating shaft using a resolver which has a first stator winding, a second stator winding and a rotor winding, the rotor winding being non-rotatably connected to the shaft and being rotatable relative to the stator windings.
  • the invention also relates to a device for detecting an angle of rotation of a rotating shaft, which comprises a resolver.
  • Resolvers are known through use which have a cylindrical housing, a first stator winding, a second stator winding and a rotor with a rotor winding.
  • the stator windings are offset from one another, for example by 90°, and enclose the rotor, which is mounted in the housing, with the rotor winding.
  • the rotor winding is routed to the outside via slip rings and brushes, for example.
  • resolvers are designed without brushes, whereby the rotor information is transmitted inductively.
  • a resolver delivers an absolute angle signal within one revolution, so referencing after switching on is not necessary.
  • the first stator winding is excited with a first stator signal.
  • the second stator winding is excited with a second stator signal which is phase-shifted thereto, for example by 90°.
  • the phasing of the voltage induced in the rotor winding depends on the position of the rotor winding. If the rotor winding is exactly opposite the first stator winding, then the phase position of the rotor voltage corresponds to the phase position of the first stator signal. When the rotor winding is exactly opposite the second stator winding, the phase position of the rotor voltage corresponds to the phase position of the second stator signal.
  • the resolver supplies a resolver signal with the phase angle of the rotor voltage.
  • the phase angle of the resolver signal rotates from 0° to 360°.
  • the phase angle of the resolver signal is therefore a measure of the angle of rotation of the rotor.
  • DE 103 15 754 A1 discloses a method for determining the absolute rotor position or rotor position of inverter-fed synchronous machines.
  • An incremental encoder is coupled to the synchronous machine.
  • DE 102019200 318 A1 discloses a resolver circuit for evaluating resolver signals with a resolver.
  • DE 102009 019 509 A1 discloses a method and a device for determining a rotor angle of a rotating shaft.
  • the invention is based on the object of further developing a method and a device for detecting an angle of rotation of a rotating shaft.
  • the object is achieved according to the invention by a method for detecting an angle of rotation of a rotating shaft with the features specified in claim 1.
  • Advantageous refinements and developments are the subject of the dependent claims.
  • the object is also achieved according to the invention by a device for detecting an angle of rotation of a rotating shaft having the features specified in claim 11 .
  • a method according to the invention serves to detect an angle of rotation of a rotating shaft by means of a resolver, which has a first stator winding, a second stator winding and a rotor winding, the rotor winding being connected to the shaft in a rotationally fixed manner and being rotatable relative to the stator windings, with an excitation signal being generated by a frequency generator is generated with an excitation frequency; a first stator signal having the excitation frequency is supplied to the first stator winding; a second stator signal having the excitation frequency is supplied to the second stator winding; a resolver signal with a resolver frequency is induced in the rotor winding; the resolver signal is output from the resolver; the resolver signal is fed to a phase shifter, which produces a first correlator signal at the resolver frequency and generates a second correlator signal which is phase-shifted by 90° with respect to the first correlator signal and has the resolver frequency; the correlator signals are fed to
  • a frequency of the output signal corresponds to a rotor speed of the rotor winding and the shaft.
  • the value of the output signal corresponds to the angle of rotation of the rotor winding and the shaft between 0° and 360°.
  • the controller regulates the output signal relatively quickly. This enables the angle of rotation of the shaft to be detected quickly. Thus, the angle of rotation of the shaft can be detected correctly and without any significant delay even at relatively high rotor speeds.
  • the first stator winding is offset by 90° to the second stator winding. This construction enables a precise and less error-prone evaluation of the signals.
  • the first stator signal is phase-shifted by 90° with respect to the second stator signal. This refinement enables the signals to be evaluated accurately and with little error.
  • the stator signals, the resolver signal, the correlator signals and the comparison signals are each harmonic AC voltages. Harmonic AC voltages allow simple further processing with known analog evaluation circuits.
  • the first correlator signal is in phase with the resolver signal. This provides a clear reference between the angle of rotation of the shaft and the stator signals.
  • the phase shifter is designed as a Hilbert transformer. It has been shown that a Hilbert transformer is particularly suitable for use in the method according to the invention.
  • the controller is designed as an I controller, ie as an integrating controller.
  • An integrating controller acts by integrating a control deviation over time on a manipulated variable with a weighting by a reset time.
  • the excitation signal is a digital number which changes in the form of a sawtooth, ie a digital sawtooth signal.
  • the output signal is a digital number which changes in the form of a sawtooth, ie a digital sawtooth signal.
  • the value of the output signal corresponds to the angle of rotation of the rotor winding and the shaft between 0° and 360° and can therefore be evaluated relatively easily.
  • the actuating signal is a digital number which changes in the form of a sawtooth, ie a digital sawtooth signal.
  • the device according to the invention is set up to carry out the method according to the invention.
  • FIG. 1 a schematic representation of a device for detecting an angle of rotation of a rotating shaft.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a device for detecting an angle of rotation of a rotating shaft 17.
  • Said device includes a resolver 10, among other things.
  • the resolver 10 has a first stator winding 11, a second stator winding 12 and a rotor winding 15.
  • the rotor winding 15 is rotatably connected to the shaft 17 and relative to the two stator windings 11, 12 rotatable.
  • the first stator winding 11 is offset by 90° to the second stator winding 12 with respect to the rotationally symmetrical shaft 17 .
  • the device also includes a frequency generator 20 for generating an excitation signal S20 with an excitation frequency.
  • An input signal S25 in the form of a digital number is fed to the frequency generator 20 .
  • the frequency generator 20 has an auxiliary adder 25 which adds the input signal S25 and an auxiliary signal S22 to the excitation signal S20.
  • the frequency generator 20 has a delay 22, which passes the excitation signal S20 through with a defined time delay as an auxiliary signal S22.
  • the auxiliary signal S22 is also a digital number.
  • An excitation signal S20 with the excitation frequency is thus generated by the frequency generator 20, the excitation signal S20 being a digital number which changes in the form of a sawtooth.
  • the device also comprises a distant signal generator unit 70 which has a first distant signal generator 71 and a second distant signal generator 72 .
  • the excitation signal S20 is fed to the two distant signal generators 71 , 72 of the distant signal generator unit 70 . From this, the first preliminary signal generator 71 generates a first stator signal S71 with the excitation frequency. From this, the second preliminary signal generator 72 generates a second stator signal S72 with the excitation frequency.
  • the stator signals S71, S72 are generated using a method which is referred to as direct digital synthesis (DDS).
  • the generated stator signals S71, S72 are each harmonic AC voltages.
  • the first stator signal S71 is in phase with the Excitation signal S20.
  • the second stator signal S72 is phase-shifted by 90° relative to the first stator signal S71 and to the excitation signal S20.
  • the first stator winding 11 is supplied with the first stator signal S71 at the excitation frequency.
  • the second stator winding 12 is supplied with the second stator signal S72 at the excitation frequency.
  • the magnetic coupling between the stator windings 11, 12 and the rotor winding 15 induces a rotor voltage in the rotor winding 15, which is conducted to the outside, for example, via slip rings in the form of a resolver signal S10.
  • the resolver signal S10 is induced with a resolver frequency.
  • the resolver signal S10 is output from the resolver 10 .
  • the resolver signal S10 is a harmonic AC voltage.
  • the phase position of the resolver signal S10 depends on the position of the rotor winding 15.
  • the phase position of the rotor voltage 15 corresponds to the phase position of the first stator signal S71.
  • the phase position of the rotor voltage corresponds to the phase position of the second stator signal S72.
  • the rotor winding 15 is between the stator windings 11, 12, then the phase position of the rotor voltage is shifted with respect to the phase positions of the stator signals S71, S72.
  • the resolver 10 thus supplies a resolver signal S10 with the phase position of the rotor voltage.
  • the device also includes a phase shifter 30 for generating a first correlator signal S31 and a second correlator signal S32 that is phase-shifted by 90° with respect to the first correlator signal S31.
  • the phase shifter 30 is designed, for example, as a Hilbert transformer.
  • the resolver signal S10 is fed to the phase shifter 30, which generates a first correlator signal S31 at the resolver frequency and a second correlator signal S32, phase-shifted by 90° with respect to the first correlator signal S31, at the resolver frequency.
  • the generated correlator signals S31, S32 are each harmonic AC voltages.
  • the first correlator signal S31 is in phase with the resolver signal S10.
  • the second correlator signal S32 is phase-shifted by 90° with respect to the first correlator signal S31 and with respect to the resolver signal S10.
  • the device also includes a correlator 40 for generating a control signal S40.
  • the correlator 40 has a first multiplier 41 , a second multiplier 42 and a summer 45 .
  • the correlator signals S31, S32 are fed to the correlator 40.
  • a control signal S40 is generated and output by the correlator 40 .
  • the control signal S40 is a time-varying DC voltage without a fixed period.
  • the device also includes a controller 50 for generating an output signal S50.
  • Controller 50 is designed as an I controller, ie as an integrating controller.
  • the control signal S40 is supplied to the controller 50.
  • An output signal S50 is generated and output by the controller 50 .
  • the output signal S50 is generated by the regulator 50 in such a way that the control signal S40 is regulated to zero.
  • the output signal S50 is a digital number which changes in the form of a sawtooth.
  • the device also includes a main adder 60.
  • the main adder 60 is supplied with the excitation signal S20 and the output signal S50.
  • the output signal S50 and the excitation signal S20 are added by the main adder 60 to form a control signal S60 with a control frequency.
  • the actuating signal S60 is a digital number which changes in the form of a sawtooth.
  • the device also comprises a main signal generator unit 80 which has a first main signal generator 81 and a second main signal generator 82 .
  • the actuating signal S60 is fed to the two main signal generators 81 , 82 of the main signal generator unit 80 . From this, the first main signal generator 81 generates a first comparison signal S81 with the control frequency. From this, the second main signal generator 82 generates a second comparison signal S82 with the control frequency.
  • the comparison signals S81, S82 are generated using a method which is referred to as direct digital synthesis (DDS).
  • the generated comparison signals S81, S82 are each harmonic AC voltages.
  • the first comparison signal S81 is in phase with the control signal S60.
  • the second comparison signal S82 is phase-shifted by 90° with respect to the first stator signal S71 and to the control signal S60.
  • the first comparison signal S81 with the control frequency and the second comparison signal S82 with the control frequency, which is phase-shifted by 90° with respect to the first comparison signal S81, are fed to the correlator 40 .
  • the first correlator signal S31 and the first comparison signal S81 are multiplied by the first multiplier 41 to form a first mixed signal S41.
  • the second correlator signal S32 and the second comparison signal S82 are multiplied by the second multiplier 42 to form a second mixed signal S42.
  • the first mixed signal S41 and the second mixed signal S42 are summed by the adder 45 to form the control signal S40.
  • the first comparison signal S81 is shifted by 90° to the first correlator signal S31, then the first mixed signal S41 is equal to zero. If the second comparison signal S82 is shifted by 90° with respect to the second correlator signal S32, then the second mixed signal S42 is equal to zero. If the two mixed signals S41, S42 are equal to zero, then the control signal S40 is also equal to zero.
  • the rotor winding 15 rotates together with the shaft 17 at a rotor speed of 100 Hz, for example.
  • the excitation frequency is 50 kHz, for example, and is therefore significantly greater than the rotor speed.
  • the resolver signal S10 is phase-shifted with respect to the first stator signal S71 by the respective angle of rotation of the rotor winding 15 .
  • the phase shift is 0°.
  • the phase shift is 90°.
  • the phase shift changes from 0° to 360°.
  • the phase shift of the resolver signal S10 compared to the first stator signal S71 is thus a measure of the angle of rotation of the shaft 17.
  • the resolver frequency corresponds to a sum of the excitation frequency and the rotor speed.
  • the output signal S50 is a digital number which changes in the form of a sawtooth.
  • a frequency of the output signal S50 corresponds to the rotor speed.
  • the value of the output signal S50 corresponds to the angle of rotation of the rotor winding 15 and the shaft 17 between 0° and 360°.
  • the control frequency corresponds to a sum of the excitation frequency and the frequency of the output signal S50.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung eines Drehwinkels einer rotierenden Welle (17) mittels eines Resolvers (10), welcher eine erste Statorwicklung (11), eine zweite Statorwicklung (12) und eine Rotorwicklung (15) aufweist, wobei von einem Frequenzgenerator (20) ein Erregersignal (S20) erzeugt wird; der ersten Statorwicklung (11) ein erstes Statorsignal (S71) zugeführt wird; der zweiten Statorwicklung (12) ein zweites Statorsignal (S72) zugeführt wird; in der Rotorwicklung (15) ein Resolversignal (S10) induziert wird; von dem Resolver (10) das Resolversignal (S10) ausgegeben wird; das Resolversignal (S10) einem Phasenschieber (30) zugeführt wird, welcher ein erstes Korrelatorsignal (S31) und ein zweites Korrelatorsignal (S32) erzeugt; die Korrelatorsignale (S31, S32) einem Korrelator (40) zugeführt werden; von dem Korrelator (40) ein Regelsignal (S40) erzeugt und ausgegeben wird; das Regelsignal (S40) einem Regler (50) zugeführt wird; von dem Regler (50) ein Ausgangssignal (S50) erzeugt und ausgegeben wird; das Ausgangssignal (S50) und das Erregersignal (S20) zu einem Stellsignal (S60) addiert werden; ein erstes Vergleichssignal (S81) und ein zweites Vergleichssignal (S82) erzeugt und dem Korrelator (40) zugeführt werden. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels einer rotierenden Welle (17), welche zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels einer rotierenden Welle
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung eines Drehwinkels einer rotierenden Welle mittels eines Resolvers, welcher eine erste Statorwicklung, eine zweite Statorwicklung und eine Rotorwicklung aufweist, wobei die Rotorwicklung drehfest mit der Welle verbunden und relativ zu den Statorwicklungen drehbar ist. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels einer rotierenden Welle, die einen Resolver umfasst.
Durch Benutzung sind Resolver bekannt, die ein zylindrisches Gehäuse, eine erste Statorwicklung, eine zweite Statorwicklung und einen Rotor mit einer Rotorwicklung aufweisen. Die Statorwicklungen sind versetzt zueinander, beispielsweise um 90°, angeordnet und umschließen den in dem Gehäuse gelagerten Rotor mit der Rotorwicklung. Die Rotorwicklung wird beispielsweise über Schleifringe und Bürsten nach außen geführt. Alternativ sind Resolver bürstenlos ausgeführt, wobei die Information des Rotors induktiv übertragen wird. Ein Resolver liefert innerhalb einer Umdrehung ein absolutes Winkelsignal, eine Referenzierung nach dem Einschalten ist somit nicht erforderlich.
Zur Erfassung eines Drehwinkels des Rotors wird die erste Statorwicklung mit einem ersten Statorsignal erregt. Die zweite Statorwicklung wird mit einem dazu phasenverschoben, beispielsweise um 90°, zweiten Statorsignal erregt. Die Phasenlage der in der Rotorwicklung induzierten Spannung hängt von der Stellung der Rotorwicklung ab. Wenn die Rotorwicklung genau gegenüber der ersten Statorwicklung steht, so entspricht die Phasenlage der Rotorspannung der Phasenlage des ersten Statorsignals. Wenn die Rotorwicklung genau gegenüber der zweiten Statorwicklung steht, so entspricht die Phasenlage der Rotorspannung der Phasenlage des zweiten Statorsignals. Steht die Rotorwicklung zwischen den Statorwicklungen, so ist die Phasenlage der Rotorspannung zu den Phasenlagen der Statorsignale verschoben. Während einer Umdrehung des Rotors liefert der Resolver ein Resolversignal mit der Phasenlage der Rotorspannung. Die Phasenlage des Resolversignals dreht sich dabei von 0° bis 360°. Die Phasenlage des Resolversignals ist somit ein Maß für den Drehwinkel des Rotors. Aus der DE 10 2017 012 027 A1 ist ein Verfahren zur drehgeberlosen Rotorlagebestimmung einer Drehfeldmaschine bekannt. Die Drehfeldmaschine wird dabei von einem Umrichter mit einem pulsweitenmodulierten Signal angesteuert.
Aus der DE 103 15 754 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der absoluten Rotorlage oder Läuferlage von wechselrichtergespeisten Synchronmaschinen bekannt. An die Synchronmaschine ist dabei ein Inkrementalgeber gekuppelt.
Aus der DE 102009 032 095 A1 sind eine Anordnung und ein Verfahren zur Bestimmung einer Winkelstellung bekannt.
Aus der DE 102019200 318 A1 ist eine Resolverschaltung zur Auswertung von Resolversignalen mit einem Resolver bekannt.
Aus der DE 102009 019 509 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Rotorwinkels einer rotierenden Welle bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels einer rotierenden Welle weiterzubilden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Erfassung eines Drehwinkels einer rotierenden Welle mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch eine Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels einer rotierenden Welle mit den in Anspruch 11 angegebenen Merkmalen gelöst.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zur Erfassung eines Drehwinkels einer rotierenden Welle mittels eines Resolvers, welcher eine erste Statorwicklung, eine zweite Statorwicklung und eine Rotorwicklung aufweist, wobei die Rotorwicklung drehfest mit der Welle verbunden und relativ zu den Statorwicklungen drehbar ist, wobei von einem Frequenzgenerator ein Erregersignal mit einer Erregerfrequenz erzeugt wird; der ersten Statorwicklung ein erstes Statorsignal mit der Erregerfrequenz zugeführt wird; der zweiten Statorwicklung ein zweites Statorsignal mit der Erregerfrequenz zugeführt wird; in der Rotorwicklung ein Resolversignal mit einer Resolverfrequenz induziert wird; von dem Resolver das Resolversignal ausgegeben wird; das Resolversignal einem Phasenschieber zugeführt wird, weicher ein erstes Korrelatorsignal mit der Resolverfrequenz und ein zu dem ersten Korrelatorsignal um 90° phasenverschobenes zweites Korrelatorsignal mit der Resolverfrequenz erzeugt; die Korrelatorsignale einem Korrelator zugeführt werden; von dem Korrelator ein Regelsignal erzeugt und ausgegeben wird; das Regelsignal einem Regler zugeführt wird; von dem Regler ein Ausgangssignal erzeugt und ausgegeben wird; das Ausgangssignal und das Erregersignal zu einem Stellsignal mit einer Stellfrequenz addiert werden; ein erstes Vergleichssignal mit der Stellfrequenz und ein zu dem ersten Vergleichssignal um 90° phasenverschobenes zweites Vergleichssignal mit der Stellfrequenz erzeugt und dem Korrelator zugeführt werden; wobei in dem Korrelator das erste Korrelatorsignal und das erste Vergleichssignal zu einem ersten Mischsignal multipliziert werden; das zweite Korrelatorsignal und das zweite Vergleichssignal zu einem zweiten Mischsignal multipliziert werden; das erste Mischsignal und das zweite Mischsignal zu dem Regelsignal summiert werden; und wobei von dem Regler das Ausgangssignal derart erzeugt wird, dass das Regelsignal auf null geregelt wird.
Eine Frequenz des Ausgangssignals entspricht einer Rotordrehzahl der Rotorwicklung sowie der Welle. Der Wert des Ausgangssignals entspricht dem Drehwinkel der Rotorwicklung sowie der Welle zwischen 0° und 360°. Der Regler regelt das Ausgangssignal verhältnismäßig schnell. Damit ist eine schnelle Erfassung des Drehwinkels der Welle möglich. Somit ist eine Erfassung des Drehwinkels der Welle auch bei verhältnismäßig hohen Rotordrehzahlen korrekt und ohne nennenswerte Verzögerung möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Statorwicklung um 90° versetzt zu der zweiten Statorwicklung angeordnet. Diese Bauweise ermöglicht eine genaue und wenig fehleranfällige Auswertung der Signale.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Statorsignal um 90° phasenverschoben zu dem zweiten Statorsignal. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine genaue und wenig fehleranfällige Auswertung der Signale.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Statorsignale, das Resolversignal, die Korrelatorsignale und die Vergleichssignale jeweils harmonische Wechselspannungen. Harmonische Wechselspannungen gestatten eine einfache Weiterverarbeitung mit bekannten analogen Auswerteschaltungen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Korrelatorsignal gleichphasig mit dem Resolversignal. Dadurch ist ein eindeutiger Bezug des Drehwinkels der Welle zu den Statorsignalen gegeben.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Phasenschieber als Hilbert- Transformator ausgebildet. Es hat sich gezeigt, dass ein Hilbert-Transformator zum Einsatz in dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders geeignet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Regler als I-Regler, also als integrierender Regler, ausgebildet. Ein integrierender Regler wirkt durch zeitliche Integration einer Regelabweichung auf eine Stellgröße mit einer Gewichtung durch eine Nachstellzeit.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Erregersignal eine Digitalzahl, welche sich in Form eines Sägezahns ändert, also ein digitales Sägezahnsignal.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Ausgangssignal eine Digitalzahl, welche sich in Form eines Sägezahns ändert, also ein digitales Sägezahnsignal. Der Wert des Ausgangssignals entspricht dabei dem Drehwinkel der Rotorwicklung sowie der Welle zwischen 0° und 360° und ist daher verhältnismäßig einfach auswertbar.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Stellsignal eine Digitalzahl, welche sich in Form eines Sägezahns ändert, also ein digitales Sägezahnsignal.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels einer rotierenden Welle, umfasst einen Resolver, welcher eine erste Statorwicklung, eine zweite Statorwicklung und eine Rotorwicklung aufweist, wobei die Rotorwicklung drehfest mit der Welle verbunden und relativ zu den Statorwicklungen drehbar ist, einen Frequenzgenerator zur Erzeugung eines Erregersignals mit einer Erregerfrequenz, einen Phasenschieber zur Erzeugung eines ersten Korrelatorsignals und eines zu dem ersten Korrelatorsignal um 90° phasenverschobenen zweiten Korrelatorsignals, einen Korrelator zur Erzeugung eines Regelsignals und einen Regler zur Erzeugung eines Ausgangssignals. Dabei ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet.
Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert. Die Erfindung ist nicht auf die in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Abbildungen stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar. Es zeigt:
Figur 1 : eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels einer rotierenden Welle.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels einer rotierenden Welle 17. Die besagte Vorrichtung umfasst unter anderem einen Resolver 10. Der Resolver 10 weist eine erste Statorwicklung 11 , eine zweite Statorwicklung 12 und eine Rotorwicklung 15 auf. Die Rotorwicklung 15 ist drehfest mit der Welle 17 verbunden und relativ zu den beiden Statorwicklungen 11, 12 drehbar. Die erste Statorwicklung 11 ist dabei, bezüglich der rotationssymmetrischen Welle 17, um 90° versetzt zu der zweiten Statorwicklung 12 angeordnet.
Die Vorrichtung umfasst ferner einen Frequenzgenerator 20 zur Erzeugung eines Erregersignals S20 mit einer Erregerfrequenz. Dem Frequenzgenerator 20 wird ein Eingangssignal S25 in Form einer Digitalzahl zugeführt. Der Frequenzgenerator 20 weist einen Hilfsaddierer 25 auf, welcher das Eingangssignal S25 und ein Hilfssignal S22 zu dem Erregersignal S20 addiert. Der Frequenzgenerator 20 weist einen Verzögerer 22 auf, welcher das Erregersignal S20 mit einer definierten zeitlichen Verzögerung als Hilfssignal S22 durchleitet. Das Hilfssignal S22 ist ebenfalls eine Digitalzahl. Von dem Frequenzgenerator 20 wird somit ein Erregersignal S20 mit der Erregerfrequenz erzeugt, wobei das Erregersignal S20 eine Digitalzahl ist, welche sich in Form eines Sägezahns ändert.
Die Vorrichtung umfasst auch eine Vorsignalgeneratoreinheit 70, welche einen ersten Vorsignalgenerator 71 und einen zweiten Vorsignalgenerator 72 aufweist. Das Erregersignal S20 wird den beiden Vorsignalgeneratoren 71 , 72 der Vorsignalgeneratoreinheit 70 zugeführt. Der erste Vorsignalgenerator 71 erzeugt daraus ein erstes Statorsignal S71 mit der Erregerfrequenz. Der zweite Vorsignalgenerator 72 erzeugt daraus ein zweites Statorsignal S72 mit der Erregerfrequenz.
Die Erzeugung der Statorsignale S71, S72 erfolgt mittels eines Verfahrens, welches als direkte digitale Synthese (DDS) bezeichnet wird. Die erzeugten Statorsignale S71 , S72 sind jeweils harmonische Wechselspannungen. Das erste Statorsignal S71 ist gleichphasig mit dem Erregersignal S20. Das zweite Statorsignal S72 ist zu dem ersten Statorsignal S71 sowie zu dem Erregersignal S20 um 90° phasenverschoben.
Der ersten Statorwicklung 11 wird das erste Statorsignal S71 mit der Erregerfrequenz zugeführt. Der zweiten Statorwicklung 12 wird das zweite Statorsignal S72 mit der Erregerfrequenz zugeführt. Durch die magnetische Kopplung zwischen den Statorwicklungen 11 , 12 und der Rotorwicklung 15 wird in der Rotorwicklung 15 eine Rotorspannung induziert, welche beispielsweise über Schleifringe in Form eines Resolversignals S10 nach außen geführt wird. In der Rotorwicklung 15 wird also das Resolversignal S10 mit einer Resolverfrequenz induziert. Das Resolversignal S10 wird von dem Resolver 10 ausgegeben. Das Resolversignal S10 ist eine harmonische Wechselspannung.
Die Phasenlage des Resolversignals S10 hängt von der Stellung der Rotorwicklung 15 ab. Wenn die Rotorwicklung 15 genau gegenüber der ersten Statorwicklung 11 steht, so entspricht die Phasenlage der Rotorspannung 15 der Phasenlage des ersten Statorsignals S71. Wenn die Rotorwicklung 15 genau gegenüber der zweiten Statorwicklung 12 steht, so entspricht die Phasenlage der Rotorspannung der Phasenlage des zweiten Statorsignals S72. Steht die Rotorwicklung 15 zwischen den Statorwicklungen 11 , 12, so ist die Phasenlage der Rotorspannung zu den Phasenlagen der Statorsignale S71 , S72 verschoben. Während einer Umdrehung der Welle 17 liefert der Resolver 10 also ein Resolversignal S10 mit der Phasenlage der Rotorspannung.
Die Vorrichtung umfasst ferner einen Phasenschieber 30 zur Erzeugung eines ersten Korrelatorsignals S31 und eines zu dem ersten Korrelatorsignal S31 um 90° phasenverschobenen zweiten Korrelatorsignals S32. Der Phasenschieber 30 ist beispielsweise als Hilbert-Transformator ausgebildet.
Das Resolversignal S10 wird dem Phasenschieber 30 zugeführt, welcher ein erstes Korrelatorsignal S31 mit der Resolverfrequenz und ein zu dem ersten Korrelatorsignal S31 um 90° phasenverschobenes zweites Korrelatorsignal S32 mit der Resolverfrequenz erzeugt. Die erzeugten Korrelatorsignale S31 , S32 sind jeweils harmonische Wechselspannungen. Das erste Korrelatorsignal S31 ist gleichphasig mit dem Resolversignal S10. Das zweite Korrelatorsignal S32 ist zu dem ersten Korrelatorsignal S31 sowie zu dem Resolversignal S10 um 90° phasenverschoben. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Korrelator 40 zur Erzeugung eines Regelsignals S40. Der Korrelator 40 weist einen ersten Multiplizierer 41, einen zweiten Multiplizierer 42 und einen Summierer 45 auf. Die Korrelatorsignale S31, S32 werden dem Korrelator 40 zugeführt. Von dem Korrelator 40 wird ein Regelsignal S40 erzeugt und ausgegeben. Das Regelsignal S40 ist eine zeitlich veränderliche Gleichspannung ohne feste Periode.
Die Vorrichtung umfasst ferner einen Regler 50 zur Erzeugung eines Ausgangssignals S50. Der Regler 50 ist als I-Regler, also als integrierender Regler, ausgebildet. Das Regelsignal S40 wird dem Regler 50 zugeführt. Von dem Regler 50 wird ein Ausgangssignal S50 erzeugt und ausgegeben. Das Ausgangssignal S50 wird dabei von dem Regler 50 derart erzeugt, dass das Regelsignal S40 auf null geregelt wird. Das Ausgangssignal S50 ist eine Digitalzahl, welche sich in Form eines Sägezahns ändert.
Die Vorrichtung umfasst auch einen Hauptaddierer 60. Dem Hauptaddierer 60 werden das Erregersignal S20 und das Ausgangssignal S50 zugeführt. Das Ausgangssignal S50 und das Erregersignal S20 werden von dem Hauptaddierer 60 zu einem Stellsignal S60 mit einer Stellfrequenz addiert. Das Stellsignal S60 ist eine Digitalzahl, welche sich in Form eines Sägezahns ändert.
Die Vorrichtung umfasst auch eine Hauptsignalgeneratoreinheit 80, welche einen ersten Hauptsignalgenerator 81 und einen zweiten Hauptsignalgenerator 82 aufweist. Das Stellsignal S60 wird den beiden Hauptsignalgeneratoren 81 , 82 der Hauptsignalgeneratoreinheit 80 zugeführt. Der erste Hauptsignalgenerator 81 erzeugt daraus ein erstes Vergleichssignal S81 mit der Stellfrequenz. Der zweite Hauptsignalgenerator 82 erzeugt daraus ein zweites Vergleichssignal S82 mit der Stellfrequenz.
Die Erzeugung der Vergleichssignale S81 , S82 erfolgt mittels eines Verfahrens, welches als direkte digitale Synthese (DDS) bezeichnet wird. Die erzeugten Vergleichssignale S81 , S82 sind jeweils harmonische Wechselspannungen. Das erste Vergleichssignal S81 ist gleichphasig mit dem Stellsignal S60. Das zweite Vergleichssignal S82 ist zu dem ersten Statorsignal S71 sowie zu dem Stellsignal S60 um 90° phasenverschoben.
Das erste Vergleichssignal S81 mit der Stellfrequenz und das zu dem ersten Vergleichssignal S81 um 90° phasenverschobene zweite Vergleichssignal S82 mit der Stellfrequenz werden dem Korrelator 40 zugeführt. ln dem Korrelator 40 werden das erste Korrelatorsignal S31 und das erste Vergleichssignal S81 von dem ersten Multiplizierer 41 zu einem ersten Mischsignal S41 multipliziert. In dem Korrelator 40 werden das zweite Korrelatorsignal S32 und das zweite Vergleichssignal S82 von dem zweiten Multiplizierer 42 zu einem zweiten Mischsignal S42 multipliziert. Das erste Mischsignal S41 und das zweite Mischsignal S42 werden von dem Summierer 45 zu dem Regelsignal S40 summiert.
Wenn das erste Vergleichssignal S81 um 90° zu dem ersten Korrelatorsignal S31 verschoben ist, so ist das erste Mischsignal S41 gleich null. Wenn das zweite Vergleichssignal S82 um 90° zu dem zweiten Korrelatorsignal S32 verschoben ist, so ist das zweite Mischsignal S42 gleich null. Wenn die beiden Mischsignale S41 , S42 gleich null sind, so ist auch das Regelsignal S40 gleich null.
Die Rotorwicklung 15 dreht sich zusammen mit der Welle 17 beispielsweise mit einer Rotordrehzahl von 100 Hz. Die Erregerfrequenz beträgt beispielsweise 50 kHz, ist also deutlich größer als die Rotordrehzahl.
Das Resolversignal S10 ist gegenüber dem ersten Statorsignal S71 um den jeweiligen Drehwinkel der Rotorwicklung 15 phasenverschoben. Wenn die Rotorwicklung 15 genau gegenüber der ersten Statorwicklung 11 steht, so beträgt die Phasenverschiebung 0°. Wenn die Rotorwicklung 15 genau gegenüber der zweiten Statorwicklung 12 steht, so beträgt die Phasenverschiebung 90°. Während einer Drehung der Rotorwicklung 15 ändert sich die Phasenverschiebung von 0° bis 360°. Die Phasenverschiebung des Resolversignals S10 gegenüber dem ersten Statorsignal S71 ist somit ein Maß für den Drehwinkel der Welle 17. Die Resolverfrequenz entspricht einer Summe aus der Erregerfrequenz und der Rotordrehzahl.
Das Ausgangssignal S50 ist eine Digitalzahl, welche sich in Form eines Sägezahns ändert. Eine Frequenz des Ausgangssignals S50 entspricht der Rotordrehzahl. Der Wert des Ausgangssignals S50 entspricht dem Drehwinkel der Rotorwicklung 15 sowie der Welle 17 zwischen 0° und 360°.
Die Stellfrequenz entspricht einer Summe aus der Erregerfrequenz und der Frequenz des Ausgangssignals S50. Bezugszeichenliste
10 Resolver
11 erste Statorwicklung
12 zweite Statorwicklung
15 Rotorwicklung
17 Welle
20 Frequenzgenerator
22 Verzögerer
25 Hilfsaddierer
30 Phasenschieber
40 Korrelator
41 erster Multiplizierer
42 zweiter Multiplizierer
45 Summierer
50 Regler
60 Hauptaddierer
70 Vorsignalgeneratoreinheit
71 erster Vorsignalgenerator
72 zweiter Vorsignalgenerator
80 Hauptsignalgeneratoreinheit
81 erster Hauptsignalgenerator
82 zweiter Hauptsignalgenerator
S10 Resolversignal
S20 Erregersignal
S22 Hilfssignal
S25 Eingangssignal
531 erstes Korrelatorsignal
532 zweites Korrelatorsignal
540 Regelsignal
541 erstes Mischsignal S42 zweites Mischsignal
S50 Ausgangssignal
S60 Stellsignal
S71 erstes Statorsignal S72 zweites Statorsignal
581 erstes Vergleichssignal
582 zweites Vergleichssignal

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Erfassung eines Drehwinkels einer rotierenden Welle (17), mittels eines Resolvers (10), welcher eine erste Statorwicklung (11), eine zweite Statorwicklung (12) und eine Rotorwicklung (15) aufweist, wobei die Rotorwicklung (15) drehfest mit der Welle (17) verbunden und relativ zu den Statorwicklungen (11, 12) drehbar ist, wobei von einem Frequenzgenerator (20) ein Erregersignal (S20) mit einer Erregerfrequenz erzeugt wird; der ersten Statorwicklung (11) ein erstes Statorsignal (S71) mit der Erregerfrequenz zugeführt wird; der zweiten Statorwicklung (12) ein zweites Statorsignal (S72) mit der Erregerfrequenz zugeführt wird; in der Rotorwicklung (15) ein Resolversignal (S10) mit einer Resolverfrequenz induziert wird; von dem Resolver (10) das Resolversignal (S10) ausgegeben wird; das Resolversignal (S10) einem Phasenschieber (30) zugeführt wird, welcher ein erstes Korrelatorsignal (S31) mit der Resolverfrequenz und ein zu dem ersten Korrelatorsignal (S31) um 90° phasenverschobenes zweites Korrelatorsignal (S32) mit der Resolverfrequenz erzeugt; die Korrelatorsignale (S31 , S32) einem Korrelator (40) zugeführt werden; von dem Korrelator (40) ein Regelsignal (S40) erzeugt und ausgegeben wird; das Regelsignal (S40) einem Regler (50) zugeführt wird; von dem Regler (50) ein Ausgangssignal (S50) erzeugt und ausgegeben wird; das Ausgangssignal (S50) und das Erregersignal (S20) zu einem Stellsignal (S60) mit einer Stellfrequenz addiert werden; ein erstes Vergleichssignal (S81) mit der Stellfrequenz und ein zu dem ersten Vergleichssignal (S81) um 90° phasenverschobenes zweites Vergleichssignal (S82) mit der Stellfrequenz erzeugt und dem Korrelator (40) zugeführt werden; wobei in dem Korrelator (40) das erste Korrelatorsignal (S31) und das erste Vergleichssignal (S81) zu einem ersten Mischsignal (S41) multipliziert werden; das zweite Korrelatorsignal (S32) und das zweite Vergleichssignal (S82) zu einem zweiten Mischsignal (S42) multipliziert werden; das erste Mischsignal (S41) und das zweite Mischsignal (S42) zu dem Regelsignal (S40) summiert werden; und wobei von dem Regler (50) das Ausgangssignal (S50) derart erzeugt wird, dass das Regelsignal (S40) auf null geregelt wird.
- 14 -
2. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die erste Statorwicklung (11) um 90° versetzt zu der zweiten Statorwicklung (12) angeordnet ist.
3. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das erste Statorsignal (S71) um 90° phasenverschoben zu dem zweiten Statorsignal (S72) ist.
4. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Statorsignale (S71 , S72), das Resolversignal (S10), die Korrelatorsignale (S31 , S32) und die Vergleichssignale (S81, S82) jeweils harmonische Wechselspannungen sind.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das erste Korrelatorsignal (S31) gleichphasig mit dem Resolversignal (S10) ist.
6. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Phasenschieber (30) als Hilbert-Transformator ausgebildet ist.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Regler (50) als I-Regler ausgebildet ist.
8. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Erregersignal (S20) eine Digitalzahl ist, welche sich in Form eines Sägezahns ändert.
9. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Ausgangssignal (S50) eine Digitalzahl ist, welche sich in Form eines Sägezahns ändert.
10. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Stellsignal (S60) eine Digitalzahl ist, welche sich in Form eines Sägezahns ändert. - 15 -
11. Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels einer rotierenden Welle (17), umfassend einen Resolver (10), welcher eine erste Statorwicklung (11), eine zweite Statorwicklung (12) und eine Rotorwicklung (15) aufweist, wobei die Rotorwicklung (15) drehfest mit der Welle (17) verbunden und relativ zu den Statorwicklungen (11, 12) drehbar ist, einen Frequenzgenerator (20) zur Erzeugung eines Erregersignals (S20) mit einer Erregerfrequenz, einen Phasenschieber (30) zur Erzeugung eines ersten Korrelatorsignals (S31) und eines zu dem ersten Korrelatorsignal (S31) um 90° phasenverschobenen zweiten Korrelatorsignals (S32), einen Korrelator (40) zur Erzeugung eines Regelsignals (S40) und einen Regler (50) zur Erzeugung eines Ausgangssignals (S50), wobei die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche eingerichtet ist.
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